基于微納光纖模式耦合的高靈敏多參量傳感機(jī)理及實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、微納光纖是直徑在微米或者納米量級(jí)的光纖波導(dǎo)，存在較強(qiáng)的倏逝場，對(duì)外界參量的變化十分敏感。與普通光纖傳感器件相比，基于微納光纖的傳感器具有高靈敏度、小尺寸、易與其他光波導(dǎo)器件耦合等特性，其在折射率、溫度、應(yīng)力、聲波、電流、磁場和生化等方面的傳感應(yīng)用近年來被廣泛地研究報(bào)道。
　　本論文在國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目的資助下，針對(duì)材料固化成型過程監(jiān)測等領(lǐng)域中對(duì)超高靈敏、多參量傳感探測的發(fā)展需求，重點(diǎn)研究了基于兩種微納光纖結(jié)構(gòu)即D型微納光纖和

2、多模微米光纖的模式耦合理論和靈敏度增強(qiáng)機(jī)理，及折射率/溫度雙參量探測機(jī)理，完成了相應(yīng)的理論和實(shí)驗(yàn)研究。論文的主要內(nèi)容包括：
　?。?）系統(tǒng)地介紹了 D型微納光纖的制備工藝，利用商業(yè)光學(xué)軟件 COMSOL Multiphysics分析了D型微納光纖的光場分布、雙折射系數(shù)、倏逝場比例和折射率、溫度靈敏度；利用D型微納光纖的強(qiáng)倏逝場優(yōu)勢，結(jié)合Sagnac偏振干涉裝置，實(shí)現(xiàn)了超高靈敏度折射率和溫度傳感。
　?。?）從二維光波導(dǎo)模式的

3、本征方程出發(fā)，仿真分析多模微米光纖的模式有效折射率、光場分布和倏逝場比例，論證了基于多模微米光纖模間干涉和強(qiáng)倏逝場的折射率靈敏度增強(qiáng)機(jī)理。首次發(fā)現(xiàn)多模微米光纖折射率靈敏度的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，在轉(zhuǎn)折點(diǎn)處折射率靈敏度可以達(dá)到??，對(duì)于實(shí)現(xiàn)超高靈敏折射率傳感具有重要的指導(dǎo)意義。進(jìn)一步通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論的正確性，且在直徑4.6μm的光纖上獲得了高達(dá)10777.8 nm/RIU的折射率靈敏度。
　?。?）針對(duì)多參量傳感需求，提出了基于多模微米光纖的雙

4、臂馬赫-澤德干涉（MZI）傳感結(jié)構(gòu)。通過將多模光纖引入到雙臂MZI裝置的傳感臂中，同時(shí)結(jié)合多模微米光纖的模間干涉以及雙臂之間的雙光束干涉，實(shí)現(xiàn)基于單個(gè)MZI裝置的折射率/溫度的雙參量同時(shí)傳感。此外，對(duì)兩組干涉疊加產(chǎn)生的干涉光譜采用高斯擬合，準(zhǔn)確提取干涉諧振波長。通過追蹤分析光譜包絡(luò)波谷波長和密集干涉譜波谷波長的漂移，獲得了折射率靈敏度2576.584 nm/RIU和1001.864 nm/RIU，以及溫度靈敏度-0.193 nm/℃和0

5、.239 nm/℃的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，為目前雙參量傳感研究中報(bào)道的靈敏度指標(biāo)最高值。
　　（4）為了進(jìn)一步減小傳感單元的尺寸，提出了基于in-line（線內(nèi)）多模微米光纖的雙MZI結(jié)構(gòu)。通過多模-單模-多模微米復(fù)合光纖結(jié)構(gòu)同時(shí)獲得單模光纖的芯包模式干涉以及多模微米光纖的模間干涉，從而利用單根光纖結(jié)構(gòu)就可實(shí)現(xiàn)折射率/溫度的雙參量測量。該傳感結(jié)構(gòu)是單線結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡單、尺寸緊湊等特點(diǎn)；同時(shí)兩個(gè)模式干涉均是in-line干涉，之間相互獨(dú)立無串

6、擾，能有效避免震動(dòng)和空氣擾動(dòng)的影響，具有優(yōu)異的穩(wěn)定性。通過追蹤光譜諧振波長的漂移，實(shí)驗(yàn)獲得了折射率靈敏度-23.672 nm/RIU和3820.230 nm/RIU，以及溫度靈敏度81.2 pm/℃和-465.7 pm/℃的技術(shù)指標(biāo)，可以實(shí)現(xiàn)高精度的雙參量測量。
　?。?）為了適應(yīng)傳感網(wǎng)的接入需求，提出了基于多模微米光纖菲涅爾反射的傳感結(jié)構(gòu)。通過切平多模微米光纖尾纖端面，將多模微米光纖模間干涉和光纖端面菲涅爾反射強(qiáng)度調(diào)制相結(jié)合。利